Detail předmětu

Chemická termodynamika a kinetika

FSI-WCTAk. rok: 2023/2024

Kurz se zabývá vybranými základními pojmy, zákony a vztahy klasické chemické termodynamiky a kinetiky, které jsou třeba pro pochopení fyzikálně – chemické problematiky materiálových věd. Chemická termodynamika je zaměřena na základní termodynamické zákony, termodynamické proměnné a vztahy, popis rovnováh v jednosložkových a vícesložkových homogenních i heterogenních soustavách, a na problematiku fázových diagramů. Pozornost je věnována také vícesložkovým chemicky reagujícím systémům a termodynamice kapilárních jevů. Kinetika uvádí základní kinetické koncepce fyzikálně – chemických dějů v heterogenních soustavách, zejména fázových transformací, difuze a slinování.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

4

Garant předmětu

prof. RNDr. Karel Maca, Dr.

Zajišťuje ústav

Ústav materiálových věd a inženýrství (ÚMVI)

Vstupní znalosti

Student potřebuje středoškolské znalosti matematiky a fyziky, a základní poznatky z chemie obecné, anorganické a organické minimálně na úrovni středoškolské.

Pravidla hodnocení a ukončení předmětu

Podmínkami udělení zápočtu jsou účast ve cvičeních a splnění písemných testů. Jsou předepsány 2 kontrolní práce během semestru. Nutnou podmínkou pro získání zápočtu je, aby obě kontrolní práce byly klasifikovány lépe než známkou F (cvičící určí i opravné termíny do konce zkušebního období).
Zkouška prověřuje znalosti teorie a zejména její aplikace na příkladech. Je písemná a ústní. Průběh ústní zkoušky je zcela v kompetenci zkoušejícího. Zkoušející může modifikovat váhu písemné a ústní části a přihlížet k aktivitě studenta ve cvičeních. Zkoušející je povinen předem sdělit posluchačům (nejpozději na poslední přednášce) základní informace o průběhu zkoušky a také hlavní zásady týkající se klasifikace.

Podmínkou udělení zápočtu je přítomnost studenta ve všech cvičeních a splnění zadaných úkolů. Pokud student tuto podmínku nesplní, může mu být v odůvodněných případech stanovena náhradní podmínka.

Učební cíle

Cílem předmětu je seznámit studenty s vybranými základními pojmy, zákony a vztahy klasické chemické termodynamiky a kinetiky, které jsou třeba pro pochopení fyzikálně – chemické problematiky materiálových věd, tak aby je studenti dokázali aplikovat. Dalším, zdaleka nezanedbatelným úkolem předmětu, je rozvíjet logické a abstraktní myšlení studentů.
Student získá základní znalosti klasické chemické termodynamiky a kinetiky vybraných inženýrských procesů, pochopí jejich logickou výstavbu a naučí se je využívat při řešení inženýrských zadání a používat přitom literárních zdrojů a databází.

Základní literatura

R. T. De Hoff: Thermodynamics in Materials Science, McGraw Hill, New York 1993 (EN)
W. J. . Moore, Fyzikální chemie, SNTL, Praha 1979 (CS)
K. Maca: Základy chemické termodynamiky a kinetiky, učební texty ÚMVI, 2005 (CS)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program N-MTI-P magisterský navazující, 1. ročník, zimní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. RNDr. Karel Maca, Dr.

Osnova

1.Struktura chemické termodynamiky: Klasifikace termodynamických systémů, proměnných a vztahů. Kritéria rovnováhy.

2. Termodynamické zákony: 1., 2. a 3. zákon termodynamiky.

3. Termodynamické vztahy a proměnné. Obecná strategie pro odvození termodynamických vztahů.

4. Rovnováha v termodynamických systémech: Obecné kritérium a obecné podmínky pro odvození termodynamické rovnováhy. Gibbsovo fázové pravidlo.

5. Jednosložkové heterogenní systémy. Jednosložkové fázové diagramy v (p,T) prostoru. Clausius - Clapeyronova rovnice.

6. Vícesložkové, homogenní nereagující systémy - roztoky. Parciální molární vlastnosti. Chemický potenciál ve vícesložkových systémech.

7. Vícesložkové heterogenní nereagující systémy. Popis vícefázových, vícesložkových, nereagujících systémů. Ideální roztoky, Raoultův zákon. Podmínky rovnováhy.

8. Vícesložkové, vícefázové reagující systémy: Reakce ve vícefázových systémech. Složky a sloučeniny ve fázových diagramech. Van’t Hoffova izoterma a její aplikace v materiálovém inženýrství.

9. Podmínky rovnováhy v systémech se zakřivenými povrchy. Kapilární jevy. Hranice zrn.

10.  Kinetika a dynamika dějů v tuhé fázi. Transportní děje v tuhých látkách. Difuze. Aktivační energie difúzního děje.

11. Slinování a růst zrn. Slinování v tuhé a kapalné fázi. Modely slinování.

12. Slinování a růst zrn. Slinování v přítomnosti tlaku. Růst zrn

13. Shrnutí témat ke zkoušce

Laboratorní cvičení

14 hod., povinná

Vyučující / Lektor

prof. RNDr. Karel Maca, Dr.

Osnova

1. Experimentální práce - FSI
2. Experimentální práce - CEITEC

Cvičení s počítačovou podporou

12 hod., povinná

Vyučující / Lektor

prof. RNDr. Karel Maca, Dr.

Osnova

  1. Úvodní neklasifikovaný test, chemické názvosloví
  2. Chemické rovnice, výpočty podle chemických rovnic
  3. Oxidačně redukční rovnice
  4. Termochemie – tepelné kapacity, reakční tepla
  5. Termochemie – závislost reakčního tepla na teplotě
  6. První písemný test
  7. Závislost Gibbsovy energie na teplotě
  8. Clapeyronova, Claussius-Clapeyronova rovnice
  9. Soustavy o více složkách, vyjadřování složení
  10. Povrchová energie, Laplaceův zákon
  11. Druhý písemný test